農村公路橋梁質量等級評定與管養系統研究

徐明遠，李光波，劉 元，梁仁義，周 敉

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.長安大學 陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，陜西 西安 710064； 3.山西省交通運輸廳重點辦農村路網處，山西 太原 030000)

0 引 言

對橋梁技術狀況評定、管理和養護的研究至今已有近40年的歷史，為了適應橋梁養護管理的需要，各國制定了各具特色的橋梁技術狀況評價指標與方法。由于各地區的具體差異，選擇的評價指標也各有側重，但總的來說，大多包括結構狀況、功能狀況、安全性(包括承載能力)、橋梁重要性這4個方面。

歐美各國不僅在橋梁維修、評估及加固方面投入了大量的精力，而且非常重視研發相應的橋梁管理系統，以便及時對橋梁進行維修和加固。在美國，被廣泛使用的橋梁管理系統主要包括Point 系統和Bridge 系統。在歐洲，典型的橋梁管理系統有丹麥的Danbro系統、法國的Edouard系統、英國Nats系統、挪威的Brutus系統、芬蘭的國家公路署管理系統等。在亞洲，較為典型的橋梁管理系統有日本的道路公用橋梁管理系統、韓國的Shbms等。中國關于橋梁管理系統的研究雖然起步較晚，但也開發了一些橋梁管理系統軟件，例如：交通部開發的“公路橋梁管理系統(CBMS) ”、西南交通大學開發的“橋梁工程設計數據庫管理系統”。此外，大連大學和日本山口大學還聯合開發了鋼筋混凝土橋智能決策輔助系統。許多省市也建立了各自的橋梁管理系統，如遼寧省公路橋梁管理系統、吉林省公路橋梁管理系統、廣州市橋梁管理系統和濟南市橋梁管理系統等[1-6]。

目前，還沒有針對農村公路橋梁而開發的橋梁管理系統。農村公路橋梁不管是在數量上還是在總里程上都占據了低等級公路橋梁的絕大部分，故開發適用于農村公路橋梁的管理系統非常必要。隨著國家對基礎設施建設的不斷投入，各地掀起了一場路橋建設和改造的高潮，但是隨著國家高等級公路網絡的初步成型、“村村通”工程的推進，使得農村公路的建設和管理養護更加重要。因此，開展對農村公路橋梁的技術評定研究，建立相應的農村公路橋梁管理系統，對農村公路的建設和養護具有重大意義[7-10]。

中國農村公路橋梁有很多特點：設計荷載偏低；養護管理機構不健全，且管理不善；橋面不清潔，堆放障礙物，甚至在橋面、橋頭處擺攤趕集；附屬設施不全或缺失；橋面不平整；橋梁往往處在偏遠地區，技術人員極少，發生安全隱患難以及時上報等[11]。目前，中國對干線公路上的橋梁已有成熟的質量分類評定標準，如《公路橋涵養護規范》(JTG H11—2004)、《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)和《城市橋梁檢測與評定技術規范征求意見稿》(2013)。但這些技術標準評定過程比較復雜，農橋的技術標準和完成正常使用功能所需的條件也遠比高等級公路橋梁寬泛。因此，直接使用上述質量分類評定標準對農村橋梁進行評定，與農村橋梁的實際工作狀態存在偏差[12-16]。

本文依托山西省交通運輸廳對山西3個地市的183座農橋進行病害統計和普查情況，制定適用于農村公路橋涵的質量等級評定標準，并開發農村公路橋涵基本狀況普查管理系統。此項工作將提高山西農村公路橋梁技術管理水平，有助于農村基層公路橋梁養護單位檢測評定農村橋梁技術等級，從而選用合適的養護措施。

1 山西省農村公路橋梁現狀

1.1 山西省農村公路橋梁分類

《山西省公路橋梁養護安全管理責任名冊》顯示，截至2007年8月，全省農村公路橋梁共有5 134座。按跨度分，有特大橋0座，大橋215座，中橋1 252座，小橋3 667座；按技術等級分，有一類橋1 150座，二類橋1 861座，三類橋1 140座，四類橋667座，五類橋316座；按荷載分，有汽-超20共183座，汽-20有1 737座，汽-15有2 138座，小于汽-15有1 076座。按上部結構形式分，有梁橋2 304座，拱橋2 826座，剛架橋4座，其他橋型0座[17-18]。

1.2 山西省農村公路橋梁常見病害

(1)上部結構的常見病害。梁橋混凝土出現碳化，表現為蜂窩、麻面，此外還有剝落、掉角、空洞、孔洞、鋼筋銹蝕，以及主梁出現結構性裂縫等，見圖1。拱橋主要常見病害為主拱圈滲水、砌縫砂漿脫落、拱腳位移、拱上結構破壞等，見圖2。

圖1 朔州東門大橋主拱圈滲水及裂縫

圖2 跨鐵路橋梁底混凝土剝落及鋼筋銹蝕

(2)下部結構的常見病害。圬工砌體墩(臺)身出現灰縫脫落或破損、剝落等現象，見圖3。鋼筋混凝土墩身出現混凝土碳化、腐蝕，剝落、露筋，空洞、孔洞，表面磨損，粗骨料外露，鋼筋銹蝕，橋墩出現滑動、下沉、傾斜，墩身出現裂縫等病害，見圖4。

(3)橋面系結構的病害。主要包括橋面鋪裝破壞、欄桿和護欄損壞、排水系統失效等，見圖5。

圖3 朔州老墻框橋圬工砌體橋臺沖蝕嚴重

圖4 東門大橋鋼筋混凝土橋墩混凝土腐蝕、剝落

圖5 朔州山岔南橋橋面鋪裝破損嚴重

2 山西省農村公路橋梁技術狀況評價體系

2.1 農村公路橋梁構件評定

現行的公路橋梁技術狀況評定標準《公路橋涵養護規范》(JTG H11—2004)和《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)中，對評價農村公路橋梁存在一定的缺限[19-20]。本文提出了一種適合山西省農村公路橋梁狀況的評定方法。通過對農村公路橋梁結構狀況和病害特點進行調研和歸納，整理出農村公路橋梁構件評定指標。橋梁構件主要包括上部承重構件、上部一般構件、支座、橋墩、橋臺、墩臺基礎、翼墻、耳墻、錐坡、護坡、河床、調制構造物、橋面鋪裝、伸縮縫裝置、人行道、欄桿、護欄、防排水系統。

運用擬定的橋梁構件評定指標和病害等級評定標準，對病害的標度進行評定；再根據橋梁構件病害的標度和病害組合情況查詢相關構件技術狀況分類表，對其技術狀況作出評定；然后根據各部件的權重、技術狀況和農村公路橋梁技術評定計算方法，對橋梁的上部結構、下部結構、橋面系進行評定計算，得到評定分值；最終得出橋梁的總體技術狀況。以梁橋上部一般構件評定指標為例，其構件評定指標見表1～4。

表1 上部一般構件評定指標

表2 蜂窩、麻面評定標準

表3 剝落、掉角評定標準

表4 空洞、孔洞評定標準

農村公路橋梁各構件技術狀況分成5種情況，可參照《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)里的病害扣分方法算出所有構件在不同病害組合情況下的得分，進而判斷出此構件類別。但是，標度應符合農村橋梁的實際情況，相比高等級公路橋梁應適當降低。

本文僅對鋼筋混凝土梁橋一般構件的技術狀況進行分類。由表1知，上部承重構件通過1個標度為3的病害和2個標度為4的病害進行評價。不同病害組合情況所屬的類別列于表5，其中3{2}表示一種病害標度為3的2級病害，其他符號的含義依次類推。

表5 上部一般構件技術狀況分類

2.2 山西省農村公路橋梁技術狀況評定

農村公路橋梁總體技術狀況等級評定采用分層綜合評定與5類橋梁單項控制指標相結合的方法，重要部件以其中缺損最嚴重的構件評分，其他部件根據多數構件缺損狀況評分。對橋梁上部結構、下部結構和橋面系分別進行評定，最后進行橋梁總體技術狀況評定。

上部結構、下部結構和橋面系技術狀況計算公式為

/5

(1)

式中：S為技術狀況評分，值域為0～100分；n為上部結構(下部結構或橋面系)的部件總類數；Wi為第i類部件的權重，對于橋梁中未設置的部件，應根據此部件的隸屬關系將其權重分配給各既有部件，分配原則按照各既有部件權重在全部既有部件權重中所占比例進行分配；Ri為各部件的標度，取值為1～5，當標度為1時Ri取值為0，其他按實際情況取值。

橋梁總體的技術狀況評分計算

Dr=SdWd+SpWp+SbWb

(2)

式中：Dr為橋梁總體技術狀況評分，值域為0～100；Sd為橋面系技術狀況評分；Sp為橋梁上部結構技術狀況評分；Sb為橋梁下部結構技術狀況評分；Wd為橋面系在全橋中的權重；Wp為上部結構在全橋中的權重；Wb為下部結構在全橋中的權重。

橋梁技術狀況評定等級分為一類、二類、三類、四類、五類，詳見表6。

表6 橋梁技術狀況分類界限

在橋梁技術狀況評定中，有下列情況之一時，整座橋梁應評為五類橋：上部結構有落梁；有梁、板斷裂現象；梁式橋上部承重構件控制截面出現全截面開裂；梁式橋上部承重構件有嚴重的位移，存在失穩現象；結構出現永久變形，變形大于規范值；關鍵部位混凝土出現壓碎或桿件失穩傾向，橋面板出現嚴重塌陷；拱式橋拱腳嚴重錯臺、位移，造成拱頂撓度大于限值，或拱頂嚴重變形；圬工拱橋拱圈大范圍砌體斷裂，脫落現象嚴重；腹拱、側墻、立墻或立柱產生破壞，造成橋面板嚴重塌落；擴大基礎沖刷深度大于設計值，沖擊面積超過20%；橋墩(橋臺或基礎)不穩定，出現嚴重滑動、下沉、位移、傾斜等現象。

3 農村公路橋梁普查管理系統的開發

3.1 系統基本結構

山西農村公路橋梁普查管理系統主要由系統數據庫和橋梁技術狀況評價2個部分組成。系統數據庫能夠為山西省農村橋梁管理部門進行橋梁信息管理提供數據，橋梁技術狀況評價部分則可以對農村公路橋梁做出快速的評價。系統數據庫設計包括基本數據、技術狀況、查詢3個模塊。

3.2 系統設計

以山西省農村公路橋梁為研究對象，對橋梁的基本信息和病害情況進行存儲、管理，并結合橋梁的病害情況，采用山西省農村公路橋梁評價方法進行評價。山西省農村公路橋梁普查管理系統的總體結構如圖6所示。

圖6 山西省農村公路橋梁普查管理系統總體結構

3.3 系統開發

基于Microsoft Visual Studio 2008開發平臺,借助編程C語言和SQL數據庫開發了山西省農村公路橋梁管理系統CBMS1.0。系統將梁橋和拱橋包含的各個部件均呈現在界面內，每個部件都可以通過上傳相應的圖片和文字進行定性和定量描述其技術狀況。系統的橋梁技術等級評定功能主要針對農村公路鋼筋混凝土梁(板)橋、雙曲拱橋、圬工拱橋3種橋型。

3.4 實例分析

根據實地橋梁檢測結果，用本文提出的橋梁評價體系對山西省農村公路橋梁進行評價，同時用《公路橋涵養護規范》(JTG H11—2004)和《公路橋梁技術狀況評定標準》(JTG/T H21—2011)進行評定。以鋼筋混凝土梁(板)橋南宅橋為例，分別給出了3種方法的評定結果，見表7。

由表7可知，三種評價方法評定結果基本一致，本文的評定分值略高于規范方法，反映出農村橋梁的自身特點，評定結果合理。

4 結 語

本文以山西省交通運輸廳科研項目《山西省農村公路橋梁評價體系研究與應用》為依托，對農村公路橋梁的養護技術展開了系統的研究。主要研究結論如下。

(1)通過對山西省農村公路橋梁的實地調研，總結了農村公路橋梁的特點和常見病害形式，為后續研究農村公路橋梁技術狀況評價體系打下堅實的基礎。

表7 南宅橋橋梁技術狀況

(2)對農村公路橋梁上部結構、下部結構、橋面系結構所包括的構件評價指標進行總結，并結合《公路橋涵養護規范》和《公路橋梁技術狀況評定規程》，提出了一種更適合于農村公路橋梁自身特點的評價方法。通過實例證明，本文的方法是可行的。

(3)建立了農村公路橋梁普查管理系統，該系統的主要功能是存儲和調取農村公路橋梁病害情況，并且以文字和圖片形式表現出來，可形象地展示橋梁病害情況，為農村公路橋梁管理部門提供有價值的信息；同時橋梁評定模塊可以快速對橋梁進行評分，為各級農村橋梁養護管理部門提供決策及養護策略方面的參考。

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